CO
2
- utsläpp samt upptag hos
portlandcement och blandcement under
dess livslängd.
Inblandning av flygaska och granulerad masugnsslagg
CO
2emissions and uptake from portlandcement and cement blends under its
lifetime.
Avan Zakhoy
Fakulteten för hälsa, natur- och teknikvetenskap Byggingenjörsprogrammet
Examensarbete för byggingenjörsprogrammet 22,5 hp Handledare: Malin Olin
Examinator: Asaad Almssad 24 - 06 - 16
Abstract
The concrete impact on the environment is mainly on cement production, which accounts for 7 percent of total global carbon dioxide emissions. The amount of Carbon dioxide emissions is estimated to 700-‐800 kilo of carbon dioxide per 1000 kilo of cement produced. About 60 percent of emissions comes from the calcination of limestone, and the remaining 40 percent comes from the burning of fossil fuels due to the heat that must be added during the calcination [2]. Every year it produced around 2 million tonnes of cement in Sweden, which in turn results in the emission of approximately 1.5 million tonnes of carbon dioxide [5].
A suitable solution has been found in the use of supplementary cementitious materials, also known as mineral admixtures[3]. These materials can be used to replace cement in concrete as they possess pozzolanic and cementitious properties. The most common industrial by-‐ products used in Sweden at the moment are fly ash and granulated blast furnace slag. To find out how big of an amounts of carbon dioxide emission can be reduced by replacing the parts of the cement with by-‐products, you have to conciderate the whole concrete life cycle beacuse concrete also ties up carbon dioxide.
When carbon dioxide (𝐶𝑂#) comes in contact with water in the pore solution of the concrete bicarbonate (𝐻𝐶𝑂%& ) plus a hydrogen ion is formed. Bicarbonate (𝐻𝐶𝑂%&) is then dissolved to form carbonate (𝐶𝑂%#&) plus a hydrogen ion. When carbonate (𝐶𝑂%#&) comes in contact with calcium (𝐶𝑎#() calcium carbonate (𝐶
)𝐶𝑂%) is formed. This process is called carbonation
and continues throughout the life of the concrete. Calcium hydroxide (𝐶𝑎 (𝑂𝐻)#) has a very low solubility compared to other hydroxides and will be the first to dissolve and release calcium ions in the pore solution. Calcium silicate stabilized by high pH -‐ value and Ca ions in the pore solution. Calcium Hydroxides ( 𝐶𝑎 (𝑂𝐻)#) releaseing of 𝐶𝑎#(lowers the pH
content in the pore solution which results in calcium silicate hydrate also begins to dissolve and release ions. However, changing the release of structural reconstruction of Calcium Silicate Hydrate results in a lower Ca / Si -‐ ratio.When this ratio falls to less than 1 and the pH of the pore solution is around 10, silica gel is formed. Mineral admixtures in form of bee products such as fly ash and granulated blast furnace slag will reduce the amount of calcium hydrate ( 𝐶𝑎 (𝑂𝐻)#) in the cement paste and increase the amount of calcium silicate
hydrate.
Simplification of Fick's second law developed by the CBI has been used in numerical calculations for the concrete's carbon uptake over time. 3 different types of cement, Portland cement, fly ash cement and slag cement has been set against each other from a carbon dioxide perspective.Portland cement: 1 m^3 concrete of type CEM I with strength C30/37 contribute with 263 kg of carbon emissions during production. Over time, this 1 m^3 of concrete have tied up a total of 134 kg of carbon dioxide through carbonation. The total carbon emissions for 1 m^3 concrete of type CEM I with strength C30/37 remains 129 kg. Flygaskecement: 1 m^3 concrete of type CEM II / B-‐V (35% F) with strength C30/37 is contributing with a total of 75 kg of carbon dioxide emissions.
Sammanfattning
Betongens miljöpåverkan beror i huvudsak på cementtillverkningen som står för 7 procent av världens totala koldioxidutsläpp. Mängden koldioxidutsläpp beräknas till 700-‐800 kilo för varje 1000 kilo färdig producerad cement. Cirka 60 procent av utsläppen kommer från kalcinering av kalksten och resterande 40 procent kommer från förbränning av fossila
bränslen pga. den värme som måste tillföras under kalcineringen[2]. Varje år produceras det runt 2 miljoner ton cement i Sverige som i sin tur ger utsläpp av ungefär 1,5 miljoner ton koldioxid [5].
En lämplig lösning till detta problem har hittats i användningen av kompletterande cementmaterial även känt som mineralblandningar [3]. Dessa material används för att ersätta mängden cement i betong då de besitter puzzolana samt cementiska egenskaper. De vanligaste industriella biprodukter som används i Sverige i dagsläget är flygaska och
granulerad masugnsslagg. För att ta reda på hur stora mängder i koldioxidutsläpp man kan minska genom att ersätta delar utav cementet med biprodukter måste man ta hänsyn till betongens hela livscykel då betong även binder upp koldioxid.
När koldioxid (𝐶𝑂#) kommer i kontakt med vatten i betongens porlösning bildas bikarbonat
(𝐻𝐶𝑂%& ) plus en vätejon. Bikarbonat (𝐻𝐶𝑂%& ) löses sedan upp och bildar karbonat
( 𝐶𝑂%#& ) plus en vätejon. När karbonat ( 𝐶𝑂%#& ) kommer i kontakt med kalcium (𝐶𝑎#() i
cementpastan bildas kalciumkarbonat (𝐶)𝐶𝑂% ). Denna process kallas för karbonatisering och pågår under hela betongens livslängd. Kalciumhydroxid ( 𝐶𝑎 (𝑂𝐻)#) har en väldigt låg löslighet jämn fört med andra hydroxider och kommer vara den första som löses upp och frige kalciumjoner i porlösningen. Kalciumsilikathydrat stabiliseras genom högt pH – värde och Ca joner i porlösningen. Kalciumhydroxidens ( 𝐶𝑎 (𝑂𝐻)#) frisläppande av 𝐶𝑎#( sänker
pH -‐halten i porlösningen vilket resulterar i att även kalciumsilikathydrat börjar lösas upp och frige 𝐶𝑎#( joner. Dock förändrar frisläppandet av 𝐶𝑎#( strukturuppbyggnaden i
Kalciumsilikathydrat som resulterar i ett lägre Ca / Si – förhållande. När detta förhållande sjunker till mindre än 1 samt pH-‐värdet i porlösningen ligger runt 10 kommer kiseldioxidgel bildas. Tillsatsmaterial i from av biprodukter så som flygaska och granulerad masugnsslagg kommer att minska mängden kalciumhydrat( 𝐶𝑎 (𝑂𝐻)#) i cementpastan och öka mängden kalciumsilikathydrat.
Förenklingar utav Fick’s andra lag framtagna utav CBI har använts vid numeriska beräkningar för betongens koldioxidupptag över tid. 3 olika cementsorter, portlandcement,
flygaskecement samt slaggcement har ställts mot varandra ur koldioxid perspektiv.
Portlandcement: En kubikmeter betong av typ CEM I med hållfasthet C30/37 bidrar med 263 kg i koldioxidutsläpp vid produktion. Med tiden kommer denna kubikmeter betong ha bundit upp totalt 134 kg koldioxid via karbonatisering. Det totala koldioxidutsläppet för en
kubikmeter betong av typ CEM I med hållfasthet C30/37 blir 129 kg.
Flygaskecement: EN kubikmeter betong av typ CEM II/B-‐V (35%F) med hållfasthet C30/37 bidrar med totalt 75 kg i koldioxidutsläpp.
Slaggcement: EN kubikmeter betong av typ CEM II/B-‐S (35%F) med hållfasthet C30/37 bidrar med totalt 41 kg i koldioxidutsläpp.
Innehållsförteckning
1 INLEDNING ... 6 1.1 INTRODUKTION / PROBLEMFORMULERING ... 6 1.2 SYFTE ... 7 1.3 MÅL ... 7 1.4 METOD ... 7 2 BETONGENS HISTORIA ... 8 3 TILLSATSMATERIAL ... 10 3.1 GRANULERAD MASUGNSSLAGG ... 10 3.2 FLYGASKA ... 10 4 CEMENT ... 11 4.1 STANDARDER ... 11 4.2 ALLMÄNT OM PORTLANDCEMENT ... 12 ... 134.3 KEMIN BAKOM PORTLANDCEMENT ... 13
4.3.1 Silikatreaktioner ... 14
4.3.2 Aluminatreaktioner ... 14
4.3.3 Ferritreaktioner ... 15
5 KARBONATISERING ... 16
5.1 ALLMÄNT ... 16
5.2 KEMIN BAKOM KARBONATISERING ... 17
5.3 MEKANISMEN BAKOM KARBONATISERING ... 18
6 METOD ... 20 6.1 KARBONATISERINGSDJUPET ... 20 6.2 CO2 UPPTAG ... 21 6.3 INDATA ... 22 6.3.1 Hållfasthets klasser ... 22 6.3.2 Miljöklasser ... 22 6.3.3 Olika ytbehandlingar ... 22 6.3.4 olika bindemedel ... 22 7 UTFÖRANDE ... 23
7.1 GRUNDFÖRUTSÄTTNINGAR OCH ANTAGANDEN ... 23
1 Inledning
1.1 Introduktion / problemformulering
Befolkningen och städerna växer både globalt och nationellt sett. Detta kräver en utbyggd hållbar och trygg infrastruktur där betong utgör ett nödvändigt fundament.
Man vill kunna försörja samhället samtidigt som man tar ansvar för miljön.
Betong är det i särklass viktigaste och mest använda byggnadsmaterialet världen om. Global produktion av cement och betong har ökat avsevärt under de senaste 20 åren och orsakerna är välkända. Betong har extremt mångsidiga konstruktiva och materialtekniska egenskaper. Dess uppbyggnad kan tillfredsställa praktiskt taget alla prestandaspecifikationer med användningsområden som sträcker sig allt från uppbyggnad av samhällsstrukturen till skulpturer. Betong är ett kompositmaterial med huvudbeståndsdelarna cement (kalk + lera), ballast (sten, grus, sand) och vatten [1]. Dessa beståndsdelar utgörs av naturmaterial som är tillgängliga världen om vilket underlättar produktion av önskad vara. Betongindustrin står dock på grund av enorma utsläpp av växthusgaser under produktion inför stora utmaningar. För att kunna fortsätta konkurrera med dagens samt framtidens miljövänligare
byggnadsmaterial måste ändringar ske.
Betongens miljöpåverkan beror i huvudsak på cementtillverkningen som står för 7 procent av världens totala koldioxidutsläpp. Mängden koldioxidutsläpp beräknas till 700-‐800 kilo för varje 1000 kilo färdig producerad cement. Cirka 60 procent av utsläppen kommer från kalcinering av kalksten och resterande 40 procent kommer från förbränning av fossila bränslen [2].
På grund av betongens extremt mångsidiga konstruktiva och materialtekniska egenskaper går det i större skala inte att ersätta byggnadsmaterialet med andra material i dagsläget. Det väsentliga är därför att minska koldioxidutsläppen vid cementtillverkning. En lämplig lösning till detta problem har hittats i användningen av kompletterande cementmaterial även känt som mineralblandningar[3]. Dessa material används för att ersätta mängden cement i betong då de besitter puzzolana samt cementiska egenskaper. De vanligaste industriella biprodukter som används i Sverige i dagsläget är flygaska och granulerad masugnsslagg.
Betong till skillnad från andra byggnadsmaterial binder upp koldioxid under sin livslängd. Den koldioxid som frigörs från kalksten vid tillverkning av portlandcement binds upp i betongen på nytt via karbonatisering. När koldioxid i luften kommer i kontakt med kalciumhydroxiden i cementpastan bildas kalksten(kalciumkarbonat). Karbonatisering påverkar inte betongens beständighet, den är fortfarande lika hård och stabil efter som innan[4].
Med flygaska, som är en mineralprodukt som uppstår vid tillverkning av el -‐ och
värmeproduktion vid kolkraft och kraftvärmeverk kan upp till 35 procent av portlandcement ersättas beroende på konstruktionens prestanda specifikationer. Även med granulerad masugnsslagg som är en restprodukt från järnframställning kan upp till 35 procent av
Varje år produceras det runt 2 miljoner ton cement i Sverige som i sin tur ger utsläpp av ungefär 1,5 miljoner ton koldioxid [5]. Karbonatiseringsprocessen för ren portlandcement kommer ske under andra förutsättningar än för dessa mineralblandningar. Denna studie kommer att inrikta sig på koldioxidutsläpp samt upptag hos ren portlandcement och mineralblandningar under dess livslängd.
1.2 Syfte
Detta projekt syftar till att få en bättre förståelse för processen bakom karbonatiserings-‐ fenomenet. Få en djupare förståelse för hur de olika faserna i cementpastan förhåller sig till varandra beroendes på typ av inblandning samt identifiera vilka faktorer som har en
betydande påverkan för betongens koldioxidupptag. Utifrån denna information identifiera vilken typ av inblandning som gynnar miljön bäst ur koldioxidperspektiv under ett längre tidsperspektiv.
1.3 Mål
Projektet ställer sig bland annat frågorna:
• Vad består flygaska och granulerad masugnsslagg utav samt hur uppstår dessa ? • Vilken fas i tillverkningsprocessen bidrar med störst koldioxidutsläpp ?
• Vad är karbonatisering samt vilka faktorer påverkar processen ?
• Vad händer när mineralämnen i form utav biprodukter ersätter delar utav cementet och hur påverkar detta karbonatiseringen ?
• Gynnar det miljön ur koldioxidperspektiv under längre tid att byta ut delar utav cementet med mineralämnen ?
• Om så är fallet i vilken utsträckning?
1.4 Metod
Som första steg i projektet utfördes en litteraturstudie med fokus på betong och dess historia fram till dagsläget. Steg två var att utifrån dagens cementtillverkning identifiera hur de olika faserna i cementpastan förhåller sig till varandra. Och utifrån detta förstå hur dessa förhållanden ändras med inblandning utav mineralämnen i form utav restprodukter.
För bättre förståelse har en djupgående litteraturstudie utförts gällande karbonatiserings fenomenet. Förenklingar utav Fick’s andra lag framtagna utav CBI har använts vid numeriska beräkningar för betongens koldioxidupptag över tid.
3 olika cementsorter, portlandcement, flygaskecement samt slaggcement har ställts mot varandra ur koldioxidperspektiv. Numeriska beräkningar har utförts för varje enskild cementsort för sig med totalt 4 olika fall där alla utgår från 1 m^3 betong.
Den utsatta ytareans storlek och dess påverkan på karbonatiserings hastigheten har undersökts i de olika fallen .
2 Betongens historia
Betongens historia sträcker sig långt tillbaka i tiden. Man vet med säkerhet att greker och
etrusker kunde framställa ett betongliknande material flera hundra år före vår tidsberäkning. Materialet användes till byggnadsverk så som bostadshus, hamnar samt broar. Än idag 2 -‐3 tusen år senare står den antika betongen fortfarande kvar[1] .
Det antika bindemedlet bestod utav naturgiven kalk plus vulkanisk pozzolana-‐aska.
Askan innehåller amorf (glasig) kiselsyra. Material med liknande egenskaper kallas idag för pozzolaner. Namnet härstammar från halvön Puzzuoli i Neapelbukten där romarna hämtade sin vulkaniska aska. När vatten tillsätts en sådan blandning sker en kemisk reaktion mellan vatten, kalk och kiselsyra varvid så kallad kalciumsilikathydrat bildas[1]. Under ett par århundraden f.kr. till ett par århundraden e.kr hade betongen sin storhetstid och användes
till alla typer av byggen. Det mest spektakulära byggnadsverket är Pantheon i rom, som har
en fribärande kupol av betong med 45 m spännvidd[1].
Efter romarrikets fall upphörde gradvis användandet av betong som byggnadsmaterial på grund av brist på kunskap och metoder för tillverkning av större byggen under många år. Det var först på 1700-‐talet under industrialismen som man åter började använda materialet. Man började då experimentera med olika blandningar av betong som gav materialet olika
egenskaper[6]. Cement som idag vanligen används kallas med ett mer fullständigt namn för
portlandcement. Namnet refererar till det hårdnande cementets färg, som påminner om färgen på byggnadsstenen Portland stone från Portland i England. Portlandcementets fader anses vara engelsmannen Joseph Aspdin. Denna process patenterades 1844 och därmed hade det moderna Portland cementet skapats[1].
Betongkonstruktionerna som görs idag är betydligt mer avancerade än de som
användes under antiken och både material-, konstruktion och produktionstekniken har utvecklats enormt.
• Hög brandsäkerhet -‐ Betongens struktur börjar brytas ner först vid ca 300 grader Celsius, vilket inte uppnås vid en ordinarie brand om brandmän är på plats i tid. Då elden inte kan spridas vidare via betongstommen höjs säkerheten för de boende samt brandmän under en brand.
• Fuktsäker -‐ Cement är ett hydrauliskt bindemedel, vilket kännetecknas av att det hårdnar genom reaktion med vatten till en produkt som är beständigt mot vatten. Detta leder till att betongens egenskaper inte ändras med kontakt till vatten i efterhand. Detta resulterar i en god inomhusmiljö̈ utan fukt och mögel.
• God formbarhet -‐ Bindemedlet tillsätts i flytande form och kan därmed formges lätt. Ett formbart material med stora estetiska möjligheter.
• Återvinningsbar -‐ Betong som inte är förorenat kan återanvänds på nytt till olika ändamål.
• Bra ljudisolering -‐ Ett tungt material som betong isolerar mycket effektivt mot ljud som fortplantar sig genom luften, dvs praktiskt taget allt ljud. Så kallade stegljud, som fortplantas i själva materialet, isolerar man lätt med lämplig konstruktion och
golvbeläggning.
• naturmaterial -‐ huvudbestånds delarna i betong utgörs utav cement ( kalk plus lera ), sand, grus, sten och vatten.
Betongindustrin har dock blivit ett offer för sin egen framgång och nu står inför enorma utmaningar. Cementindustrin uppskattas vara ansvarig för ungefärliga 7 procent av all koldioxidutsläpp världen över. Då betong är ett natur material bör man använda så mycket betong, med så lite portlandcement som möjligt. Detta innebär att ersätta så mycket portlandcement som möjligt med liknande cement material, helst biprodukter från industriella processer istället för naturresurser [7].
MINERAL KEMISK FORMEL (%)
kiseldioxid SiO3 40-55
aluminiumoxid Al2O3 20-30
MINERAL KEMISK FORMEL SVENSK SLAGG(%)
kalciumoxid CaO 36 kiseldioxid SiO3 36 magnesiumoxid MgO 13 aluminiumoxid Al2O3 10 svavel S 1
3 Tillsatsmaterial
3.1 Granulerad masugnsslagg
Granulerad masugnsslagg är en restprodukt från järnframställning. Kalksten och koks (pyrolys kol) smälts samman med järnmalm i en så kallad masugn. Kalkstenen och koksen reducerar bort oönskade oxider och bildar tillsammans med gråberget ett slagg som flyter ovanpå det smälta järnet. Slaggen tappas av och kyls ned med antingen luft eller vatten. Nedkylning med vatten ger ett grusliknande material och är den som benämns granulerad masugnsslagg. Det granulerade masugnslagget mals sedan ned till samma kornfinhet som portlandcement[8]. Slagg till skillnad från portlandcement är latent hydraulisk, vilket innebär att den först genom lämplig aktivering kan reagera med vatten och bilda hydrationsprod-‐ ukter och bidra till hållfastheten. Ordet latent betyder fördröjning, det vill säga slaggens reaktion med vatten är fördröjd. Därmed kan man räkna med långsammare hydration för cement med högre slagghalt. Cementhållfastheten efter ett dygn sjunker i proportion till inblandningen av slagg, medan hållfastheten efter några veckor är högre än för cement utan slagg.
Tabell 3.1 Exempel på kemisk sammansättning för svensk slagg [8]. 3.2 Flygaska
Flyg-‐aska är en mineralprodukt som uppstår vid el -‐ och värmeproduktion på koleldade kraftverk. Kolet mals ned till pulverform och skickas sedan vidare till förbränningsugnar. I dessa förbränningsugnar uppnår temperaturen 1700 grader Celsius. Det grövre
oförbrännbara delen samlas på botten av ugnen och kallas för bottenaska. Den finare lättare oförbrännbara delen följer med rökgaserna ut mot ett elektrofilter och avskiljs via
nedkylning. Askan har nu formen utav små sfäriska partiklar och kallas för flyg-‐aska[9]. Flygaskans partikelstorlek och egenskaper varierar beroende på kraftverkets utformning, det vill säga vilken förbränningsprocess kraftverket använder, temperaturen under förbränning och kolsorten. Glashalten är ett mått på flygaskans reaktivitet. Hög förbränningstemperatur, 1500 – 1700 grader celcius, ger en flygaska med rundare korn och högre glashalt. Med undantag för viss variation sägs flygaskan ha ungefär samma partikelstorlek som ett vanligt Portlandcement[9]. Flygaska är ett puzzolant material, det vill säga att det reagerar med kalciumhydroxid och vatten, och kan därför delvis ersätta klinker i cement[10].
Puzzolanreaktionen är långsam i förhållande till den vanliga portlandcementreaktionen. Precis som för slagg har betong med inblandning utav flygaska en långsammare
4 Cement
4.1 Standarder
Det finns 5 olika huvudgrupper inom cement familjen
-‐ CEM I Portlandcement
-‐ CEM II Sammansatta portlandcement -‐ CEM III Slaggcement
-‐ CEM IV Puzzolanacement -‐ CEM V kompositcement
Cementtyper definieras efter kemisk sammansättning, användningsområde eller andra typiska egenskaper. Sammansättningen av varje produkt i familjen ordinära cement ska vara enligt tabell 4.1.
Tabell 4.1 De 27 produkterna i familjen ordinära cement [19].
4.2 Allmänt om Portlandcement
Portlandcement är ett hydrauliskt bindemedel. Ett hydrauliskt bindemedel hårdnar genom reaktion med vatten till en produkt som sedan är beständig mot vatten. För dagens
cementtillverkning utgör kalksten huvudråvaran tillsammans med lera[1].
Kalksten är en sedimentär bergart och består i huvudsak utav mineralet kalkspat. Kalkspat även känt som kalcit består och utav den kemiska föreningen kalciumkarbonat (𝐶𝑎𝐶𝑂%).
𝑘𝑎𝑙𝑘𝑠𝑡𝑒𝑛 + 𝑙𝑒𝑟𝑎 𝐶𝑎𝐶𝑂% (𝑘𝑎𝑙𝑐𝑖𝑢𝑚𝑘𝑎𝑟𝑏𝑜𝑛𝑎𝑡) 𝑆𝑖𝑂# 𝑘𝑖𝑠𝑒𝑙𝑑𝑖𝑜𝑥𝑖𝑑 𝐴𝑙#𝑂% 𝑎𝑙𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑢𝑚𝑜𝑥𝑖𝑑 𝐹𝑒#𝑂% 𝑗ä𝑟𝑛𝑜𝑥𝑖𝑑 .
Kalksten bryts genom sprängning i kalkstenstäkten och krossas sedan ned till en maxstorlek på 80mm. Detta skickas sedan till ett utjämningslager för att uppnå en så jämn korn storlek som möjligt. Sedan mals stenen tillsammans med lera ned till mjöl med partiklar mindre är 0,09 mm[11]. Detta mjöl bränns därefter i 80 meter långa, svagt lutande roterugnar med brännare i den lägre änden med en temperatur vid ca 1450 grader C . Materialet tappas sedan ut och kyls ned med luft till cementklinker. För att reglera cementets bindningstid tillsätter man därefter cirka 5-‐8 procent gips[1].
Under förbränningsprocessen övergår kalciumkarbonat ( 𝐶𝑎𝐶𝑂%) till kalciumoxid (𝐶𝑎𝑂) plus
koldioxid (𝐶𝑂#).
𝐶𝑎𝐶𝑂%+ värme → 𝐶𝑎𝑂 + 𝐶𝑂#
Råmaterialet innehåller förutom kalciumkarbonat ( 𝐶𝑎𝐶𝑂%) även kiseldioxid (𝑆𝑖𝑂#) samt
mindre mängder utav aluminiumoxid (𝐴𝑙#𝑂%) och järnoxid (𝐹𝑒#𝑂%).
Den höga temperaturen i roterugnen sönderdelar och förenar dessa oxider med varandra till flertal nya kemikaliska föreningar, så kallade klinkermineral. Dessa klinkermineral är
karakteristiska för portlandcement[1]. 𝑘𝑎𝑙𝑐𝑖𝑢𝑚𝑜𝑥𝑖𝑑 + 𝑙𝑒𝑟𝑎 + 𝑣ä𝑟𝑚𝑒 𝐶%𝐴 𝑡𝑟𝑖𝑘𝑎𝑙𝑐𝑖𝑢𝑚𝑎𝑙𝑢𝑚𝑖𝑛𝑎𝑡 − 𝐴𝑙𝑢𝑚𝑖𝑛𝑎𝑡 𝐶J𝐴𝐹 𝑡𝑒𝑡𝑟𝑎𝑘𝑎𝑙𝑐𝑖𝑢𝑚𝑎𝑙𝑢𝑚𝑖𝑛𝑎𝑡𝑓𝑒𝑟𝑟𝑖𝑡 − 𝐹𝑒𝑟𝑟𝑖𝑡 𝐶#𝑆 𝑑𝑖𝑘𝑎𝑙𝑐𝑖𝑢𝑚𝑠𝑖𝑙𝑖𝑘𝑎𝑡 − 𝐴𝑙𝑖𝑡 𝐶%𝑆 𝑡𝑟𝑖𝑘𝑎𝑙𝑐𝑖𝑢𝑚𝑠𝑖𝑙𝑖𝑘𝑎𝑡 − 𝐵𝑒𝑟𝑖𝑡 .
Den kalciumoxid som inte bundits upp i övriga klinkermineral under förbränningsprocessen finns kvar som fri kalciumoxid. Värden kring 1 % av cementvikten är normala och värden upp till 2 % anses ofarliga[12].
MINERAL KEMISK FORMEL SYMBOL
kalciumoxid CaO C
kiseldioxid SiO3 S
aluminiumoxid Al2O3 A
järnoxid Fe2O3 F
Denna process kallas även för kalcinering och står för 7 procent av världens totala koldioxidutsläpp. Mängden koldioxidutsläpp beräknas till 700-‐800 kilo för varje 1000 kilo färdig producerad cement. Cirka 60 procent av utsläppen kommer från kalcinering av kalksten och resterande 40 procent kommer från förbränning av fossila bränslen pga. den värme som måste tillföras under kalcineringen[2].
4.3 Kemin bakom portlandcement
Tabell 4.2 Klinkermineral och dess förkortningar [13].
Portlandcement är en blandning av kalk (𝐶𝑎𝑂), kiseldioxid (𝑆𝑖𝑂#), aluminiumoxid (𝐴𝑙#𝑂%) och järnoxid (𝐹𝑒#𝑂%) plus en liten mängd andra oxider. Under förbränningsprocessen reagerar dessa oxider med varandra till ett flertal nya kemikaliska föreningar så som trikalciumsilikat (𝐶%𝑆 ), dikalciumsilikat (𝐶#𝑆 ), trikalciumaluminat (𝐶%𝐴 ) och
tetrakalciumaluminatferrit (𝐶J𝐴𝐹 ). Dessa klinkermineral är karakteristiska för cement. På grund av trikalciumaluminat (𝐶%𝐴 ) snabba tillstyvnande tillsätter man även en motsvarande mängd gips (𝐶𝑎𝑆𝑂J∙ 2𝐻#𝑂) för reglering[13].
Steg 1 : 𝐶𝑎𝐶𝑂% → 𝐶𝑎𝑂 + 𝐶𝑂# Steg 2 : 3𝐶𝑎𝑂 + 𝑆𝑖𝑂# → 𝐶%𝑆 2𝐶𝑎𝑂 + 𝑆𝑖𝑂# → 𝐶#𝑆 3𝐶𝑎𝑂 + 𝐴𝑙#𝑂% → 𝐶%𝐴 4𝐶𝑎𝑂 + 𝐴𝑙#𝑂%+ 𝐹𝑒#𝑂% → 𝐶J𝐴𝐹 Steg 3 : + 𝐶𝑎𝑆𝑂J∙ 2𝐻#𝑂
4.3.1 Silikatreaktioner
Det är i huvudsak reaktionsprodukterna från 𝐶%𝑆 och𝐶#𝑆 som bestämmer cementets hållfasthetsegenskaper. När silikaterhydraterna kommer i kontakt med vatten bildas både kalciumhydroxid och kalciumsilikathydratgel. 𝐶%𝑆 kommer att bidra mer kalciumhydroxid än 𝐶#𝑆 på grund av dess kemiska sammansättning. Vid fullständig hydratation får gelen
sammansättningen kalciumsilikathydrat. Kalciumhydroxidkristallerna gör cementgelen mindre homogen och anses sänka hållfastheten. Reaktionerna sker enligt formlerna nedan[14]. 2𝐶#𝑆 + 4𝐻#𝑂 → 3𝐶𝑎𝑂 ∙ 2𝑆𝑖𝑂# ∙ 3𝐻#𝑂 + 𝐶𝑎(𝑂𝐻)# 2𝐶%𝑆 + 6𝐻#𝑂 → 3𝐶𝑎𝑂 ∙ 2𝑆𝑖𝑂# ∙ 3𝐻#𝑂 + 3𝐶𝑎(𝑂𝐻)#
𝐶%𝑆 reagerar snabbt med vattnet och bidrar till den tidiga hållfastheten medans 𝐶#𝑆 reagrar betydligt långsammare och bidrar till sluthållfastheten. Kalciumsilikathydratgelen är den som ger betongen dess hållfasthet, täthet och beständighet[14].
Kalciumhydroxiden bildas vid reaktionerna och gör betongmassa starkt alkalisk, pH 12.5. Alkaliinnehållet i cement höjer pH ytterligare till ca 13[14]. Kalciumhydroxiden har en
negativ inverkan på betongens hållfasthet och beständighet men en avgörande betydelse för möjligheten att använda mineraliska tillsatsmaterial eftersom den reagerar med materialen.
4.3.2 Aluminatreaktioner
𝐶%𝐴 reagerar snabbast av klinkermineralen och kommer därmed omedelbart börja bilda kalciumaluminathydrater i kontakt med vatten. För att förhindra denna reaktion tillsätts gips (𝐶𝑎𝑆𝑂J) i cement för att reglera denna reaktion och därmed cementets bindning. Den tillsatta mängd gips ska balansera mot cementets 𝐶%𝐴 -‐halt och dess upplösningshastighet. 𝐶%𝐴 reagerar med gips och vatten till ettringit, denna reaktion beskrivs enligt formeln
nedan[14].
𝐶%𝐴 + 3𝐶𝑎𝑆𝑂J+ 32𝐻#𝑂 → 𝐶%𝐴 ∙ 3𝐶𝑎𝑆𝑂J∙ 32𝐻#𝑂
Tillgången på gips i cementpastan bestämmer vilket mineral som kommer att bildas. I början då sulfathalten är hög kommer ettringit att bildas. Emellertid kommer denna koncentration att sjunka och monosulfat kommer att bildas. Ettringitinnehållet är störst efter ett dygn, därpå omvandlas ettringiten till monosulfat tills alla 𝐶%𝐴 är förbrukade. Reaktionen beskrivs enligt formeln nedan[14].
2𝐶%𝐴 + 𝐶%𝐴 ∙ 3𝐶𝑎𝑆𝑂J∙ 32𝐻#𝑂 → 3𝐶%𝐴 ∙ 𝐶𝑎𝑆𝑂J∙ 12𝐻#𝑂
4.3.3 Ferritreaktioner
Även ferriten reagerar med gipset i cementpastan och även här beror sammansättningen på mängden tillgänglig sulfat. Först och främst ser reaktionen ut enligt formeln nedan[14].
𝐶J𝐴𝐹 + 𝐶𝑎𝑆𝑂J∙ 2𝐻#𝑂 + 𝐶𝑎(𝑂𝐻)# → 3𝐶 𝐴, 𝐹 3𝐶𝑎𝑆𝑂J ∙ 𝐻#𝑂
När mängden tillgängligt sulfat sjunker börjar 3𝐶 𝐴, 𝐹 𝐶𝑎𝑆𝑂J∙ 𝐻#𝑂 bildas, reaktioner med kalciumhydroxid kan även uppstå. Reaktionshastigheten hos 𝐶J𝐴𝐹 är lägre än eller lika med
5 Karbonatisering
5.1 Allmänt
Karbonatiseringsprocessen är i teorin mycket enkel men i verkligheten väldig komplex. Det är en miljöprocess över tid, hur lång tid detta tar beror på betongens uppbyggnad samt miljön den är placerad i. Grundförutsättningarna kommer att styra graden av
karbonatiseringen under dess livslängd. Därför är det viktigt att identifiera och sedan utgå från den informationen för att få fram korrekta värden för koldioxidupptaget[4].
Karbonatiserings processen bygger på att när koldioxid (𝐶𝑂#) kommer i kontakt med vatten
bildas bikarbonat (𝐻𝐶𝑂%& ) och / eller karbonatjoner ( 𝐶𝑂%#& ) plus nån vätejon. När
kalciumhydroxid (𝐶𝑎 (𝑂𝐻)# ) i cementpastan kommer i kontakt med karbonatjoner
( 𝐶𝑂%#& ) bildas kalciumkarbonater (𝐶𝑎𝐶𝑂%), vatten (𝐻#0) förbrukas inte men behövs under omvandlingen. Kalciumhydroxid (𝐶𝑎 (𝑂𝐻)#) kommer att förbrukas och pH i cementpastan kommer att sjunka succesivt från basiskt (pH> 12,5) till nästan
neutralt (pH < 9). När pH sjunker kommer emellertid alla hydratfaserna brytas ned och slutproduktionen kommer att bestå av en blandning av karbonater tillsammans med ferrit , silikat och aluminiumhydroxidföreningar[4].
Processen fortgår genom att koldioxid eller karbonatjoner passerar igenom en redan karbonatiserad yta i betongen och reagerar med ny färsk betong. Denna diffusionsprocess kontrolleras utav vattenmättnadsgraden i kapillärsystemet. Hastigheten på
karbonatiseringen kommer att succesivt sakta ner på grund av att koldioxiden eller
karbonatjonerna först måste tränga igenom det redan karbonatiserade lagret för att sedan reagera med det okarbonatiserade lagret. Denna hastighet i transport styrs främst av koncentrationsskillnader, transportmedier (porositet) och tjockleken hos den redan karbonatiserade betongen[4].
I allmänhet är betongkonstruktioner utformade för att klara av en livslängd på minst 100 år. Karbonatisering påverkar inte betongens hållfasthet, den är hård och stabil även efter processen. Dock skyddar det höga pH värdet i okarbonatiserad betong armering som vanligtvis finns i betongkonstruktioner från korrosion. Det låga pH värdet till följd av
karbonatisering orsakar i kombination med syre ( 𝑂#) rostskador på armeringen. Detta leder till en volymökning hos stålet som resulterar i sprickskador i betongen. Med rätt underhåll kan detta undvikas[15].
När konstruktionen har fullföljt sitt syfte kommer den sedan att rivas ned och krossas, detta kommer öka karbonatiseringshastigheten avsevärt då den utsatta ytan som koldioxidgas eller karbonatjoner kan reagera med blir större[4].
5.2 Kemin bakom karbonatisering
Karbonatisering bygger på att karbonatjoner i kontakt med kalciumjoner i betongens porlösning börjar bilda kalciumkarbonat. Kalciumkarbonat har en väldigt låg löslighet vilket kommer resultera i att näst intill alla Kalcium (𝐶)) föreningar förr eller senare löses upp och bildar kalciumkarbonat.
Tidigare nämndes det att vatten behövs under omvandling men förbrukas ej, detta är på grund av att gasformig koldioxid (𝐶𝑂#) inte kan reagera direkt med hydraterna i
cementpastan. Det nämndes även att Koldioxid (𝐶𝑂#) i kontakt med vatten bildar
vätekarbonat (𝐻𝐶𝑂%& ) och / eller karbonatjoner ( 𝐶𝑂%#& ) beroendes av pH halten i vattnet. Bikarbonat bildas då koldioxid kommer i kontakt med vatten under neutralitet[4].
Dessa bikarbonatjoner upplöses och bildar karbonatjoner i betongens porlösning där pH halten är mycket högre. Alltså eftersom pH halten i det karbonatiserade lagret är lägre kommer bikarbonatjoner (𝐻𝐶𝑂%& ) bildas, medans karbonatjoner ( 𝐶𝑂%#& ) bildas närmare det okarbonatiserade lagret och reagerar med kalciumhydroxider (𝐶𝑎 (𝑂𝐻)#).
Kalciumkarbonat (𝐶𝑎𝐶𝑂%) förekommer i tre kristallografiska former, aragonit, valerit samt kalcit. Den vanligaste i karbonatiserad betong är kalcit[4].
Karbonatisering processen kan beskrivas med följande kemiska ekvationer ;
Koldioxid plus vatten är lika med bikarbonat plus vätejon. 1. 𝐶𝑂#+ 𝐻#𝑂 = 𝐻𝐶𝑂%&+ 𝐻(
bikarbonat är lika med karbonat plus vätejon. 2. 𝐻𝐶𝑂%& = 𝐶𝑂
%#& + 𝐻(
karbonatjoner reagerar med kalcium-‐joner i porlösningen .
Calcium + karbonat är lika med calciumkarbonat 3. 𝐶𝑎#(+ 𝐶𝑂
%#&= 𝐶𝑎𝐶𝑂%
Lösligheten hos kalciumkarbonatkristaller(𝐶𝑎𝐶𝑂%) är mycket lägre än för kalciumhydroxid( 𝐶𝑎 (𝑂𝐻)#) . 4. 𝐶𝑎 (𝑂𝐻)# = 𝐶𝑎#(+ 2 𝑂𝐻& (𝑙ö𝑠𝑙𝑖𝑔ℎ𝑒𝑡 9.95 𝑥 10&J) 5. 𝐶𝑎#(+ 𝐶𝑂 %#&= 𝐶𝑎𝐶𝑂% (𝑙ö𝑠𝑙𝑖𝑔ℎ𝑒𝑡 0,99 𝑥 10&b )
Cementpastan innehåller även kalciumsilikathydrater och ettringit / monosulfat. Dessa komponenter stabiliseras genom högt pH och 𝐶𝑎 -‐joner i porlösningen [4]. Då pH värdet når omkring 11,6 kommer Monosulfaten att börja lösas upp och bilda ettringit och aluminat föreningar. Även ettringit kommer att börja lösas upp vid ett pH runt 10,6 och bilda sulfatjoner och aluminathydroxid föreningar. Då pH ligger under 9,2 kommer alla de 𝐶𝑎 innehållande ”faserna” att ha sönderdelats.
Dessa sulfatjoner kommer antingen att fällas ut som gips eller diffusera inåt där pH-‐värdet är högre och reagera med aluminatjoner från sönderdelade monosulfat och bilda nytt
ettringit[4].
Kalciumsilikathydrat är uppbyggt av korta kiseldioxidkedjor sammanbundna av 𝐶𝑎#( och 𝑂𝐻& joner. Hydraten stabiliseras genom högt pH – värde och Ca joner i porlösningen. När karbonatiseringen sänker halten av 𝐶𝑎#( och pH värdet i porlösningen börjar
kalciumsilikathydrat att lösas upp och frige 𝐶𝑎#( joner. 𝐶𝑎#( jonerna kommer att reagera med karbonat och bilda kalciumkarbonat och karbonatiseringsprocessen kommer att fortgå. Dock förändrar frisläppandet av 𝐶𝑎#( strukturuppbyggnaden i Kalciumsilikathydrat som resulterar i ett lägre Ca / Si – förhållande. När detta förhållande sjunker till mindre än 1 samt pH-‐värdet i porlösningen ligger runt 10 kommer kiseldioxidgel bildas. Sålunda kommer de flesta av Ca från kalciumsilikathydrat vara bunden till kalciumkarbonat men även
kiseldioxidgel[4].
För att kunna beräkna CO2 upptag måste vi veta hur mycket Ca som finns kvar i den
karbonatiserade betongen. I betong med en viss mängd puzzolaner så som flygaska kommer reaktionerna se lite annorlunda ut. Halten av kalciumsilikathydrat kommer att vara högre och därmed även halten Ca i kiseldioxidgelen.
5.3 Mekanismen bakom karbonatisering
För en djupare förståelse är det viktigt att känna till reaktionsmekanismen under karbonatisering då den kontrollerar strukturella förändringar i skalet. Effekten styrs av betongens uppbyggnad samt förhållandet mellan de olika faserna i cementpastan. Puzzolaner så som flygaska kommer att minska mängden kalciumhydrat ( 𝐶𝑎 (𝑂𝐻)#) i cementpastan och öka mängden kalciumsilikathydrat. Hastigheten hos diffusion styrs av koncentrationsskillnader, den är även mycket lägre hos jondiffusion än gasdiffusion. Därför måste vi ta hänsyn till diffusionsprocessen och effekten på strukturen hos det
karbonatiserade skiktet. Det är en process med inre diffusion av koldioxid och karbonatjoner[4].
Fuktigheten i porlösning styr hastigheten för karbonatisering. I torrbetong kan koldioxidgas via gasdiffusion tränga djupt in men på grund av vattenbrist sker det ingen reaktion för karbonatisering. Vid fullmättad betong blockerar vattnet gasdiffusion och endast karbonatjoner kan röra sig inåt vilket leder till en långsam karbonatisering.
Beroende på porositet samt fukthalt i betongen finns det en gräns för karbonatisering, det vill säga karbonatiseringshastigheten har en maxgräns beroende förutsättning.
Den maximala karbonatiseringshastigheten för porös betong ligger på en högre grad av vattenmättnad än för tät betong[4].
Reaktionen ger även upphov till volymförändringar. När kalciumhydroxid reagerar med karbonatjoner i porlösning uppstår det en volymökning på 11 % . Även kalciumsilikathydrat ger upphov till volymförändringar, dock varierar denna siffra och beror på vattenhalten i kiseldioxidgelen. Dessa volymförändringar påverkar inte betongens beständighet i det karbonatiserade lagret utan fyller endast tomrum i kapillärsystemet[4].
Effekten på porositeten skiljer sig därmed mellan olika typer av betong. Som tidigare nämnts innehåller flygaskecement högre halter utav kalciumsilikatkydrat än ren portlancement.
Dessutom måste även mekanismen för omvandling och typer för kärnbildning av karbonat övervägas[4]. Typen av utfällning av karbonat påverkar porositeten i kapillärsystemet. Hög koncentration av karbonatjoner (𝐶𝑂%#&) leder till utfällning på ytan av kalciumhydroxid ( 𝐶𝑎 (𝑂𝐻)#) samt hög koncentration av calcium (𝐶𝑎#() resulterar i utfällning i
porlösningen. Utfällningen kommer bero på hastigheten hos diffusion av både kalcium och karbonatjoner[4].
Kalciumhydroxid ( 𝐶𝑎 (𝑂𝐻)#) har en väldigt låg löslighet jämfört med andra hydroxider och kommer vara den första som löses upp och bildar kalciumkarbonat. Beroende på
hastigheten hos karbonatjonerna kommer reaktionen se annorlunda ut. Om dessa förflyttar sig snabbare än kalciumjonerna samtidigt som kalciumkarbonat fälls på ytan av 𝐶𝑎 (𝑂𝐻)# kommer det att bildas ett skal av kalciumkarbonat runt 𝐶𝑎 (𝑂𝐻)#. Detta påverkar inte porositeten men kommer att fördröja karbonatiseringen i en mindre skala . Om
kalciumjonerna rör sig snabbare kommer kalciumhydroxid ( 𝐶𝑎 (𝑂𝐻)#) upplösas och kalciumkarbonat kommer att fälla ut som mikrokristaller i kapillärsystemet. Detta ger upphov till volymförändringar som fyller tomrum i kapillärsystemet. Detta är väldigt vanligt hos ren portlandcementpasta. Dock påverkar detta inte betongens stabilitet men det ger en förtätning i cementpastan som påverkar hastigheten på diffusion[4].
Som tidigare nämnts är Kalciumsilikathydrat uppbyggt av korta kiseldioxidkedjor sammanbundna av 𝐶𝑎#( och 𝑂𝐻& joner. Detta är en kryptokristallinförening som stabiliseras genom högt pH – värde och Ca joner i porlösningen. När karbonatiseringen förbrukat 𝐶𝑎#( jonerna från kalciumhydroxiden ( 𝐶𝑎 (𝑂𝐻)
#) och pH värdet i porlösningen sjunkit kommer kalciumsilikathydrat att börja lösas upp och frige 𝐶𝑎#( joner. Studier har visat att kalciumsilikathydrat kan förlora avsevärda mängder av kalciumoxid (CaO) utan att krympa [4].
Ett grövre kapillärsystem i det karbonatiserade skalet kommer att öka hastigheten på
karbonatisering. Med långsam diffusion av karbonatjoner kommer även kalciumsilikathydrat förbruka all inre diffusions karbonatjoner innan det kan reagera med kalciumhydrat längre in och därmed resultera i en ganska distinkt karbonatiseringsfront[4].
Hastigheten hos diffusion av karbonat eller kalciumjoner som emellertid beror på
porositeten styr den strukturella reaktionsmekanismen. I torra öknar där karbonatiseringen är mycket snabb är det vanligt att karbonatisering av Kalciumsilikathydrat bildar en yttre front och kalciumhydrat en inre front. Dubbel karbonatisering kan även ske i miljöer med höga halter av koldioxid (𝐶𝑂# ) i luften. Höga halter av koldioxid (𝐶𝑂#) leder till höga halter av karbonatjoner. Kalciumsilkathydrat hinner därmed inte att frisätta tillräckligt med
kalciumhydrat och förbruka alla karbonatjoner. Dessa karbonatjoner kommer passera delvis förändrad Kalciumsilkathydrat och reagera med kalciumhydrat längre in[4].
Det uppstår även att cementpastan innehåller ohydratiserade cementkorn. Dessa återfuktas sakta med tiden och kabonatiseras i efterhand[4].
6 Metod
6.1 Karbonatiseringsdjupet
Hastigheten för karbonatisering styrs främst utav 4 faktorer, den omgivande miljön, koncentrationsgradienter, transportmedier (porositeten) samt tjockleken hos den redan karbonatiserade ytan.
Med hjälp utav förenklingar av Fick’s andra lag kan vi beräkna fram ett karbonatiseringsdjup över tid för olika cementsorter. Denna beräkning kommer att ge ett visst djup av
karbonatiserad betong vid en viss tidpunkt. Ekvation 1. 𝑑c = 𝑘 𝑡 𝑑c = 𝑘𝑎𝑟𝑏𝑜𝑛𝑎𝑡𝑖𝑠𝑒𝑟𝑖𝑛𝑔𝑠𝑑𝑗𝑢𝑝 𝑘 = 𝑔𝑟𝑎𝑑 𝑓𝑎𝑘𝑡𝑜𝑟 𝑡 = 𝑡𝑖𝑑 𝑟ä𝑘𝑛𝑎𝑡 𝑖 å𝑟
Karbonatisering är en miljöprocess över tid, den startar när det finns tillgänglig koldioxid samt vatten i luften. Hur lång tid detta tar beror på betongens uppbyggnad samt miljön den är placerad i. Graden för karbonatisering ökar ju högre mängd koldioxid i luften det finns. I de nordiska länderna där medeltemperaturen är relativt låg och därmed även partialtrycket för Co2, kommer karbonatiseringshastigheten vara lägre för konstruktioner utsatta för utomhusklimat. Konstruktioner utsatta för inomhusklimat, förutsatt att uppvärmning finns kommer ha en högre karbonatiseringshastighet på grund av ett högre partialtryck för Co2. Betongkonstruktioner utsatta för regn kommer att ha en lägre karbonatiseringshastighet då vatten till en viss del absorberar koldioxid. Som tidigare nämnts är hastigheten för
jondiffusion mycket lägre än hos gasdiffusion, även detta påverkar
karbonatiseringshastigheten för konstruktioner utsatta för våta förhållanden.
Detta är viktiga faktorer och kommer att tas hänsyn till i beräkningarna för mer korrekta värden. Hastigheten för karbonatisering kommer att öka i framtiden om den globala ökningen av Co2 fortsätter stiga. Dessa beräkningar kommer att utgå ifrån att halten koldioxid i atmosfären kommer att vara konstant under alla år då det är svårt att anta hur denna kommer variera med tiden[4].
Hastigheten på karbonatisering är även starkt kopplad till betongens porositet, som i sin tur relateras till antingen hållfasthet eller vct/vbt -‐förhållandet. Mängden cement i betong påverkar inte karbonatiseringsgraden så längde vct/vbt – förhållandet är konstant. Detta beror på faktum att flödet (J) mäts som material som passerar via en ytenhet och att enhetsarean blir större med en ökande mängd cementpasta. Djupet på karbonatiseringen kommer därmed vara den samma men mängden karbonatiserad pasta kommer variera beroende på mängden cement i betongen. Dock kommer vbt-‐förhållandet för blandcement vara väldigt olika då reaktiviteten ser annorlunda ut för olika fall. Därför kommer porositeten att relateras till hållfasthet i dessa beräkningar då det ger mer exakta värden[4].
Med antagandet att porositet och hållfasthet är relaterade till varandra kommer olika cementtyper av samma hållfasthetsklass ha samma porositet. Det som skiljer dessa
cementtyper åt är endast mängden hydratiserade cementkorn. Enligt lagerblad[4] kommer en lägre mängd cement att reducera buffertkapaciteten. Detta kommer att leda till en snabbare karbonatiseringsprocess.
När både slagg och flygaska tillsätts kommer proportionerna mellan de olika cementfaserna att ändras, pastan kommer att innehålla fler kalciumsilikathydrat och mindre
kalciumhydroxid. Detta kommer att påverka mängden tillgänglig CaO som kan reagera och bilda kalciumkarbonat i cementpastan. Dock kommer detta ej att tas med i
beräkningsutförandet då kalciumsilikathydrat/kalciumhydroxid – förhållandet är olika för varje enskild fall[4].
Som tidigare nämnts kommer graden av karbonatisering avta med tiden. Detta gäller för alla miljöer och betongtyper då koldioxid/karbonatjonerna först måste passera igenom den redan karbonatiserade betongytan för att sedan reagera med ny färsk betong. Detta gäller fram till dess att konstruktionen har fullföljt sitt syfte. När betongkonstruktionen rivs ned kommer nya ytor att bli exponerade och en ny cykel av CO2 upptag kommer att starta. Därför är det viktigt att skilja på betongens koldioxidupptag före samt efter rivning. Denna rapport kommer först att fokusera på hur mycket koldioxid olika betong
konstruktioner tar upp under dess livslängd, där både 𝑑c samt 𝑡 tas till hänsyn . Därefter kommer de olika betong konstruktionernas totala koldioxid upptag att beaktas, denna del kommer varken vara 𝑡 eller 𝑑c-‐relaterad[4].
6.2 Co2 upptag
När mängden karbonatiserad betong är identifierad kan mängden Co2 som bundits upp av betongen beräknas fram med hjälp utav ekvationen nedan.
Ekvation 2. 𝐶𝑂# 𝑢𝑝𝑝𝑡𝑎𝑔 = m ⋅ 𝐶 ⋅ 𝐶𝑎𝑂 ⋅ gghij hki 𝑘𝑔 𝑚 % där m = 𝑚ä𝑛𝑔𝑑 𝐶𝑎𝑂 𝑠𝑜𝑚 𝑘𝑎𝑟𝑏𝑜𝑛𝑎𝑡𝑖𝑠𝑒𝑟𝑎s 𝐶 = 𝑚ä𝑛𝑔𝑑𝑒𝑛 𝑏𝑖𝑛𝑑𝑒𝑚𝑒𝑑𝑒𝑙 𝑖 𝑏𝑒𝑡𝑜𝑛𝑔 𝑝𝑒𝑟 𝑚% 𝐶𝑎𝑂 = 𝑚ä𝑛𝑔𝑑 𝐶𝑎𝑂 𝑖 𝑏𝑖𝑛𝑑𝑒𝑚𝑒𝑑𝑒𝑙 ( 𝑤𝑡%) 𝑀 = 𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟𝑣𝑖𝑘𝑡 𝑎𝑣 𝑜𝑥𝑖𝑑𝑒r
Beroende på vilken hållfasthet som önskas tillsätts olika mängder av cement i betong. För betong av hållfasthetsklass C30/37 tillsätts ungefär 350 kg portlandcementklinker per m^3 betong. Detta gäller för cement av typ CEM I, när det kommer till blandcement räcker det inte med att ersätta mängden portlandcement med motsvarande mängd utav diverse restprodukt då de har olika effektivitetsfaktorer. Till exempel så har flygaska en
effektivitetsfaktor på 0,4 jämfört med portlandcement som har 1. Det betyder att 40 kg portlandcement motsvarar 100 kg flygaska[16].
